Псевдоожижение и сжигание биотоплива в многокомпонентных слоях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.01, кандидат технических наук Вирясов, Дмитрий Михайлович

• Вирясов, Дмитрий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вирясов, Дмитрий Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Исследование процессов перехода в псевдоожиженное состояние многокомпонентных слоев частиц.

1.2 Дефлюидизация псевдоожиженных систем и методы ее диагностики.

1.2.1 Методы диагностики дефлюидизации, связанные с непрерывным измерением перепада давления в слое и температуры слоя и(или) надслоевого пространства.

1.2.2 Метод диагностики процессов дефлюидизации, связанный с непрерывным измерением концентрации в дымовых газах кислорода, двуокиси углерода и окиси углерода.

1.2.3 Метод анализа процесса дефлюидизации, основанный на измерении пульсаций температуры слоя.

1.2.4 Методы диагностики процесса дефлюидизации, основанные на измерении пульсаций перепада давления в слое.

1.3 Выводы из литературного обзора.

1.4 Задачи исследования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

2.1 Исследование процессов перехода многокомпонентного слоя в состояние турбулентного ожижения на «холодной» модели.

2.2 Исследование процессов перехода многокомпонентных псевдоожиженных слоев в состояние турбулентного ожижения при повышенной температуре на «горячей» модели.

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

3.1 Результаты исследования процессов псевдоожижения многокомпонентных слоев при комнатной температуре на «холодной» модели.

3.2 Результаты исследования процессов псевдоожижения многокомпонентного слоя при сжигании гранулированного топлива в «горячей» модели.

3.3 Проверка достоверности диагностики процесса дефлюидизации известными методами: по изменению температуры дымовых газов за установкой, по изменению концентрации в дымовых газах кислорода, окиси углерода, двуокиси углерода.

3.4 Выводы по разделу.

ГЛАВА 4. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

4.1 Теплогенератор, разработанный для сжигания высокозольных топлив с низкой температурой плавления.

4.2 Использование вновь разработанного теплогенератора в линии химико-термической обработки биомассы с целью получения биотоплива с улучшенными технико-экономическими характеристиками.

4.3 Выводы по разделу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Псевдоожижение и сжигание биотоплива в многокомпонентных слоях»

Повышение требований к эффективности, надежности и экологичности реакторов с кипящим слоем обуславливает необходимость разработки новых методов псевдоожижения, в частности, создания многокомпонентных систем твердые частицы - газ, состоящих из смеси мелких и значительно более крупных частиц. Это увеличивает скорости протекания обменных процессов в слое.

Анализ литературных данных показывает, что переходные процессы в таких слоях и, прежде всего, переход от режима фильтрации к псевдоожиженному состоянию, исследованы ещё недостаточно. Более того, известные экспериментальные методы изучения процессов перехода слоя в псевдоожиженное состояние для многокомпонентных слоев не достаточно достоверны, по крайней мере, по трём причинам: 1) в «горячем» слое возможно самопроизвольное формирование многокомпонентной системы при агломерации частиц, что может привести к дефлюидизации слоя, прекращению активных обменных процессов и останову реактора; 2) пока не создан надёжный расчётный метод определения геометрической характеристики (эквивалентного диаметра) такого многокомпонентного слоя; 3) известные из литературы формулы для расчёта минимальной (критической) скорости псевдоожижения, полученные для «холодных» слоев при комнатной температуре, априори распространяются на «горячие» модели.

Диагностика процесса дефлюидизации представляет, таким образом, самостоятельную важную научно-техническую задачу, решение которой позволяет повысить надежность и эффективность работы реакторов с кипящим слоем. Известные нам методы диагностики дефлюидизации малопригодны, поскольку не позволяют установить факт появления в слое агломератов частиц, и не проверены для условий работы реальных «горячих» реакторов с кипящим слоем.

Цель работы - исследования псевдоожижения многокомпонентных, в том числе самопроизвольно формирующихся, «холодных» и «горячих» слоев, процесса сжигания в таких псевдоожиженных слоях гранулированного биотоплива с низкой температурой плавления золы.

Научная новизна работы:

1) В области перехода многокомпонентного слоя в состояние псевдоожижения, как при комнатной температуре, так и для условий реального химико-технологического процесса при сжигании биотоплива, установлена связь между переходами в системе газ - твердые частицы и среднеквадратичным отклонением пульсаций перепада давления в слое, позволяющая экспериментально определить момент перехода слоя в псевдоожиженное состояние и значение минимальной скорости псевдоожижения.

2) Предложен алгоритм определения минимальной скорости псевдоожижения многокомпонентного слоя, как в холодном, так и в «горячем» состоянии.

3) Разработан и экспериментально проверен метод идентификации прекращения ожижения, вызванного изменением гранулометрического состава слоя. Метод основан на непрерывном измерении пульсаций перепада давления в слое, определении для них безразмерной амплитуды и сопоставлении полученных результатов с пороговым значением безразмерной амплитуды, определяемым для каждого материала слоя. Полученные результаты позволили быстро и надежно отслеживать появление необратимых изменений состава слоя, приводящих к агломерации частиц и прекращению кипения -дефлюидизации.

Практическая ценность работы: предложенный метод анализа процесса дефлюидизации может быть использован при эксплуатации аппаратов с кипящим слоем для быстрого реагирования на необратимые процессы, связанные с агломерацией материала слоя.

По результатам исследований процесса горения биотоплива в турбулентном кипящем слое спроектирован, изготовлен и испытан теплогенератор, конструкция топочного устройства которого позволяет реализовать процесс сжигания топлив с низкой температурой плавления золы в бесшлаковочном режиме. На конструкцию теплогенератора получено положительное решение о выдаче Евразийского патента на изобретение. Разработанный теплогенератор включен в технологическую схему линии производства нового вида биотоплива с улучшенными технико-экономическими характеристиками (государственный контракт № 16.526.11.6010). По договору о сотрудничестве между ФГБОУ ВПО «ТГТУ» и ОАО «ПРОДМАШ» от 25 января 2012 г., выпуск линии ОАО «ПРОДМАШ» начнётся с III квартала 2013 г.

На защиту выносятся:

- результаты исследования процесса псевдоожижения многокомпонентного слоя в «холодной» модели и при сжигании соломенных гранул в «горячей» модели;

- метод экспериментального определения минимальной скорости псевдоожижения многокомпонентного слоя при комнатной и при высокой (1200 °С) температуре при сжигании гранул;

- метод диагностики процесса дефлюидизации в турбулентном многокомпонентном слое.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет».

Заключение диссертации по теме «Энергетические системы и комплексы», Вирясов, Дмитрий Михайлович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Доказана применимость метода оценки минимальной скорости псевдоожижения многокомпонентного слоя по кривой изменения среднеквадратичного отклонения пульсации перепада давления в слое от скорости воздуха, продуваемого через слой. Для «холодной» и «горячей» моделей был предложен алгоритм определения минимальной скорости псевдоожижения кипящего слоя.

2. Были установлены отличия в характере изменения статистических характеристик в экспериментах на «холодной» и «горячей» моделях. При высокой температуре (1200 °С) происходит не рост, а снижение численных значений статистических характеристик пульсации перепада давления, свидетельствующее о переходе слоя в режим турбулентного псевдоожижения, вызванном изменением значений физических характеристик псевдоожижающего газа (плотность, вязкость).

3. Сопоставление значений безразмерной амплитуды пульсации давления, полученных для разных периодов наблюдений за процессом, можно рассматривать как метод мониторинга процесса образования в слое золо-шлаковых агломератов. Для процесса сжигания соломенных гранул в турбулентном кипящем слое можно утверждать, что при значении 8 менее 0,1 слой находится в псевдоожиженном состоянии, и процесс дефлюидизации в слое не начинается. Отсутствие дефлюидизации в слое подтверждается результатами измерений температуры дымовых газов за установкой, коэффициента избытка воздуха и концентрации окиси углерода в дымовых газах.

4. Разработан и испытан опытный образец теплогенератора с топкой турбулентного кипящего слоя. В экспериментах со сжиганием топлива с низкой температурой плавления золы, склонного к образованию агломератов, КПД теплогенератора составил 78,3-89,8 % в диапазоне регулирования теплопроизводительности от 30 до 100 %. Теплогенератор в составе линии для химико-термической обработки биомассы будет производится на ОАО «Продмаш» (Ростов-на-Дону) с третьего квартала 2013 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вирясов, Дмитрий Михайлович, 2013 год

1. Ейтс Дж. Основы механики псевдоожижения с приложениями. -М.: Мир, 1988-288 с.

2. Hewitt, G. F., & Jayanti, S. (1993). То churn or not to churn. International Journal of Multiphase Flow, 1993, v. 19, pp. 527 529.

3. Bi H.T., Ellis N., Abba I. A., Grace J.R. A state-of-the-art review of gas -solid turbulent fluidization // Chemical Engineering Science, 2000, 55, pp. 4789 -4825.

4. Yerushalmi, J., Cankurt, N. T. Further studies of the regimes of fluidization // Powder Technology, 1979, 24, pp. 187-205.

5. Lee, G. S., Kim, S. D. Pressure fluctuations in turbulent fluidized beds // Journal of Chemical Engineering of Japan, 1988, 21, pp. 515-521.

6. Rhodes M. What is Turbulent Fluidization // Powder Technology, 1996, 88, pp. 3-14.

7. Basu, P., Subbarao, D. (1986). An experimental investigation of burning rate and mass transfer in a turbulent fluidized bed. // Combustion and Flame, 1986, 66, pp. 261-269.

8. Win K.K., Matsuda H., Hasatani M., Nowak W., Kruse M., Werther J. Radial gas mixing in the bottom part of a multi-solid fluidized bed // Journal of Chemical Engineering of Japan, 1994, v. 27, № 5, pp. Hasatani M., pp. 696-698.

9. Win K.K., Nowak W., Matsuda H., Hasatani M., Bis Z., Krzywanski J., Galewski W. Transport velocity of coatse particles in multi-solid fluidized bed // Journal of Chemical Engineering of Japan, 1995, v. 28, № 5, pp. 535-540.

10. Zhang Y., Jin B.S., Zhong W.O. Fluidization characteristics of stalkth shaped biomass in binary particle system // Proceeding on 20 International

11. Conference on Fluidized Bed Combustion, China, X'ian, 2009, pp. 311-316.

12. Кондуков Н.Б., Сосна М.Х. Правило фаз и классификация фазовых состояний систем твердые частицы газ // Теоретические основы химической технологии, 1967, т. 1, № 6, с. 776-779.

13. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем // Л., «Химия», 1968, с. 136.

14. Кондуков Н.Б. Гидродинамические особенности и условия подобия в переходном режиме псевдоожижения // «Инженерно-физический журнал», 1961, т. IV, №3, с. 31-38.

15. Кондуков Н.Б. Гидродинамическое сопротивление в переходной области псевдоожижения полидисперсного слоя // «Инженерно-физический журнал», 1962, т. V, № 3, 27-32.

16. Rao T.R., Bheemarasetti J. V.R. Minimum fluidization velocities of mixture of biomass and sand // Energy, 2001, v. 26, pp. 633-644.

17. Delebarre A.B., Pavinato A., Leroy J. Fluidization and mixing of sjlids distributed in size and density // Powder Technology, 1994, v. 80, pp. 227-233.

18. Bilbao R., Lezaun J., Abanades J.C. Fluidization velocities of sand/straw binary mixtures / Powder Technology, 1987, v. 52, pp. 1-6.

19. Noda K., Uchida S., Makino Т., Kamo H. Minimum fluidization velocity of binary mixture of particles with large size ratio // Powder Technology, 1986. 46, pp. 149-154.

20. Chiba S., Chiba Т., Nienow A.W., Kobayashi H. The minimumfluidization velocity, bed expansion and pressure-drop profile of binary particle mixtures // Powder Technology, 1979, v. 22, pp. 255-269.

21. Sau D.C., Mohanty S., Biswal K.S. Critical fluidization velocities and maximum bed pressure drops of homogeneous binary mixture of irregular particles in gas-solid tapered fluidized beds // Powder Technology (2008), doi: 10.1016 (j,powtec.2007.12.08).

22. Formisani B., Cristofaro G.De, Girimonte R. A fundamental approach to the phenomenology of fluidization of size segregating binary mixtures of solids // Chemical Engineering Science, 2001, v. 56, pp. 109-119.

23. Abdullah M.Z., Husain Z., Yin Pong S.L. Analysis of cold fluidization test results for various biomass fuels // Biomass and Bioenergy, 2003, 24, pp. 487494.

24. Reina J., Velo E., Puigjaner L. Predicting the minimum fluidization velocity of polydisperse mixtures of scrap-wood particles // Powder technology, 2000, v. Ill, pp. 245-251.

25. Puncochar M., Drahos J., Cermak J., Selucky K. Evalution of minimum fluidizing velocity in gas fluidized bed from pressure fluctuations // Chemical Engineering communications, 1985, v. 35 (1-6), pp. 81-87.

26. Leu L.P., Lan Ch-W. Measurement of pressure fluctuations in two -dimensional gas solid fluidized beds at elevated temperatures // Journal of Chemical Engineering of Japan, 1990, v. 23, № 5, pp. 555-562.

27. Li Z., Kobayashi N., Nishimura A., Hasatani M. Sorption drying of soybean seeds with silica gel. 1. Hydrodynamics of fluidized bed dryer // Drying technology, 2002, 20 (6), pp. 1193-1213.

28. Fluidized Bed Combustion // Proceeding Swedish Finnish Flame Days 2005, Boras, Sweden, 18-19.10.2005, pp. 28-36.

29. Li S.Y., Teng H.P., Jiao W.H., Shang L.L., Lu Q.G. Characterization on

30. Combustion and Emission of Several Kind of Herbaceous Biomass Pellets in ath •

31. Circulating Fluidized Bed Combuster // Proceeding on 20 International Conference on Fluidized Bed Combustion, Xi'an, China, pp. 1309-1315.

32. Scala F., Chirone R. Characterization and Early detection of Bed Agglomeration during the Fluidized Bed Combustion of Olive Husk // Energy & Fuel, 2006, vol. 20, pp. 120-132.

33. Salour D.; Jenkins, B. M.; Vafaei M.; Kayhanian M. Control of In-Bed Agglomeration by Fuel Blending in a Pilot Scale Straw and Wood Fueled AFBC // Biomass andBioenergy 1993, 4, 117-133.

34. Li Z., Kobayashi N., Hasatani M. Characteristics of pressure fluctuations in a fluidized bed of binary mixture // Journal of Chemical Engineering of Japan, 2005, v. 38, № 12, pp. 960-968.

35. He Z., Zhang D.M., Cheng B.C, Zhang W.D., Presssure-fluctuation analysis of a gas-solid fluidized bed using the Wigner distribution // AIChE Journal, 1997, 43(2), pp. 345-356.

36. Parise M. R., Kurka P. R. G. and Taranto O. P. Identification of Defluidization Region in a Gas-Solid Fluidized Bed Using Method on Pressure Fluctuation // Brazilian Journal of Chemical Engineering, 2009, v. 20, № 3, pp. 537543.

37. Schouten J. C. and van den Bleek C.M. Monitoring the Quality of Fluidization Using the Short-Term Predictability of Pressure Fluctuations // AIChE Journal, 1998, v. 44, № 48.

38. Van der Schaaf J., Schouten J.C., and van den Bleek C. M., Origin, Propagation and Attenuation of Pressure Waves in Gas-Solid Fluidized Beds // Powder Technology, 1998, v. 95.

39. Van Ommen J. R, Schouten J.C., Doppens M.-O., and van den Bleek C.M. Monitoring Fluidization by Dynamic Pressure Analysis // Chemical Engineering Technology, 1999, v. 22, pp. 773.

40. Van Ommen J.R., Coppens M.-O., van den Bleek C.M. Early Warming of Agglomeration in Fluidized Beds by Attractor Comparison // AIChE Journal, 2000, v. 16, № 11, pp. 2183-2197.

41. Nijenhuis J., Korbee R., Lensselink J., Kiel J.H.A., van Ommen J.R. A

42. Method for Agglomeration Detection and Control in Industrial Fluidized Beds //th

43. Proceedings of CHISA 2004: 16 International Congress of Chemical and Process Engineering, August 22-26, 2004, Praha, Chez Republic.

44. Ommen J.R., Korte R.-J., van den Bleek C.M. Rapid Detection of Defluidization Using the Standard Deviation of Pressure Fluctuation // Chemical

45. Engineering and Processing, 2004, v. 43, pp. 1329-1335.

46. Jang H.T., Kim S.B., Cha W.S. Prediction of take-over velocity of a binary density system using pressure fluctuations in a fluidized bed // Journal of Chemical Engineering of Japan, 2006, v. 39, № 9, pp. 924-931.

47. Kim J.-S., Tsutsumi A., Kang Y. Influences of nano particle addition on hydrodynamics and heat transfer in gas solids fluidized beds // Journal of Chemical Engineering of Japan, 2008, v. 41, № 7, pp. 670-677.

48. Kage H., Iwasaki N., Yamaguchi H., Matsuno Y. Frequency analysis of pressure fluctuations in fluidized bed plenum // Journal of Chemical Engineering of Japan, 1991, v. 24, № 1, pp. 76-81.

49. Celeya Romeo J., Gil. J. Evaluation of torrefaction + pelletizationprocess to transform biomass in a biofuel suitable for co-combustion. The• th

50. Proceedings of 16 European Biomass Conference and Exhibition, June 2008,1. Valencia, Spain.

51. Bergman P.C.A., Boersma A.R., Kiel J.H.A., Zwart R.W.H. Development of torrefaction for biomass co-firing in existing coal-fired power station // BIOCOAL concept, ECN Report, 2005.

52. Prins M.J., Ptasinski K.J., Janssen F.J.J.G. Torrefaction of wood, Part 1. Weight loss kinetics // Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, 2006, 77, pp. 2834.

53. F. Shafizadeh, Pyrolytic reactions and products of biomass, in: R.P. Overend, T. A. Milne, L.K. Mudge (Eds.), Fundamentals of Biomass Thermochemical Conversion, Elsevier, London, 1985, pp. 183-217.

54. Phanphanich, M., Mani, S. Impact of torréfaction on the grindability and fuel characteristics of forest biomass. Bioresour. Technol. (2010) doi: 10.1016/j.biortech.2010.08.028.

55. Тепловой расчёт котлов (нормативный метод) 3-е изд., доп. и перераб. СПб.: НПО ЦКТИ, 1998. - 256 с.

56. Европейский стандарт DIN EN 303-5-2012. Котлы отопительные. Часть 5. Отопительные котлы на твердом топливе с ручной и автоматической загрузкой топки и номинальной теплотворной способностью до 500 кВт. Терминология, требования, испытания и маркировка.

57. Bridgeman T.G., Jones J.M., Shield I., Williams P.T. Torréfaction of reed canary grass, wheat straw and willow to enhance solid fuel qualities and combustion properties // Fuel, 2008, v. 87, pp. 844-836.

58. Bergman P.C.A., Kiel J.H.A. TORREFACTION FOR BIOMASS UPGRADING // Published at 14th European Biomass Conference & Exhibition,. Paris, France, 17-21 October 2005.

59. Mitchell D., Elder T. Torréfaction? What's that? // In Proceeding of the 33rd Annual Meeting of the Council on Forest Engineering: Fueling for Future (COFE. 2010).

60. Bergman P.C.A. Combined torréfaction and pelletisation // Report ECN-C-05-073.

61. Prins M.J., Ptasinski K.J., Janssen F.J.J.G. More efficient biomass gasification via torréfaction // Energy, 2006, 31, pp. 3458-3470.